CRT达30皮秒！无需图像重建就可精准定位病灶了？

2021-11-19 04:04:23, 赵Q 滨松光子学商贸（中国）有限公司

2021年10月14日，在英国学术杂志Nature Photonics（自然光子学）电子版上发布了一项基于美国加利福尼亚大学戴维斯分校西蒙切利（Simon Cherry）教授团队、福井大学玉川洋一教授团队以及北里大学长谷川智之教授的联合研究成果。

即在全球首次成功地应用一对探测器，在没有图像重建的情况下实现了高清晰医学成像。利用本研究成果，有望实现拥有和目前PET（正电子发射断层扫描，Positron Emission Tomography）相同或更高的精度，但又简单、紧凑、诊断快速的新式放射性检查设备的研发。可以在提高癌症等病变检查效率的同时，又达到患者、医务人员辐射负担的降低。

▲ 研究中实验装置的外观，其中使用了滨松自主研发的光学检测技术和信号处理方法

想要进一步了解这个研究以及它的意义，首先我们要来聊聊PET。

目前，在肿瘤检查中，正电子发射断层成像技术，也就是我们刚刚提到的PET，有着极其重要的地位。PET应用于医疗领域已经有几十年的历史了，它的出现，全面实现了医学影像的“四定”目标，即定位、定性、定量、定期^*1，属于核医学领域中高端临床检查技术的不二代表、主咖C位，不光是肿瘤疾病的诊断中的最强“慧眼”，在心血管、神经系统疾病的检测、生命科学研究中，也发挥着重要作用。

▲ PET设备（滨松中央研究所内）

相较其他“影像前辈”，PET发展的时间虽然不算久，但是却经历了多次的重大突破，从局部成像到全身成像、从二维成像到三维成像。就当业界认为PET技术可能已经快速趋近顶峰时，TOF技术（时间飞行技术，Time of Flight）的引入又带来更具突破性的进步，实现了更快的扫描、更低的注射药量、更高的信噪比、更好的图像分辨率，现在也已经被广泛应用。

为什么TOF的应用会被看成PET发展跨越式的一步呢？这要从PET的原理讲起。

PET使用的成像原理是，在一般为生物生命代谢中必须的化合物上，标记寿命比较短的放射性核素，作为示踪剂注入到人体。示踪剂随着血液流至全身，会参与到特定细胞或组织的代谢中。在此过程里，这些放射性核素会发生衰变进而产生正电子，正电子（一般会“溜达”大约1-3 mm后）与组织内的负电子一经碰撞即会发生湮灭效应，同时将产生两个能量相等（511 keV）方向180°水平相反的γ光子迸射出去。

PET一般拥有一个环形构造的探头系统，探测器主要由闪烁体、光电探测器（一般为光电倍增管、硅光电倍增管）和高压电源组成，后接入电子学系统。γ光子很难被直接探测，于是先由闪烁体将γ射线转化为易于探测的可见光，进而又以光电探测器探测，输出光信号至系统中，通过一系列的信号处理，最后由计算机进行可反映正电子放射性同位素分布的立体图像重建，找到可能发生病变的地方。

比如说，在癌筛的时候，许多医院主要使用氟代脱氧葡萄糖配比放射性核素作为示踪剂，由于在高代谢的恶性肿瘤组织中，葡萄糖代谢旺盛，γ光子的发出自然会聚集于此，这样的特点就能够通过后期重建的图像反映出来。

▲ PET结构示意图

在传统的PET技术中，湮灭产生的两个511 keV γ光子在预设的符合时间窗（Coincidence Time Window）内被探测到时，系统就会认为有一个“有效事件”发生在两个探测模块所连成的响应线上（LOR），但具体在线的哪一点是不知道，算法重建时因为没有其他信息，只能假定在LOR上所有位置的概率是一样的。也就是说，信号得了一大堆，但也许算了一圈，很多功夫只是算了个寂寞，里面“真·有效事件”可能寥寥无几，信噪比很低，重建来的图像看上去也很模糊。

而TOF技术奇就奇在，可以分辨出一对湮灭辐射光子到达探测模块的时间差，符合时间窗可被再次限制，许多噪声信号可以因此而筛除，进而更大程度地锁定湮灭发生的所在区域范围。

▲传统PET和融入TOF技术PET的对比示意

▲ 技术的不断提升，带来病灶定位的逐步精确 / 图源：飞利浦

之所以说是“更大程度缩小范围”，是因为，虽然理论上TOF这种方法是可以实现准确定位的，但是系统会有一定时间响应的误差，所以咱们最后得到的并不是一个精确的点。因此，进一步提高探测系统的CRT，也就是“符合时间分辨率”（Resolving Time of Coincidence），就成为了一条通向更精确定位病灶的必经道路。

PET后续的探测系统主要由闪烁体、带高压电源的光电探测器光电倍增管（PMT）或硅光电倍增管（MPPC），以及电子学系统组成，目前提高CRT主要有赖于这三方面技术的精进。在整个改进体系中，闪烁体因其本身材料的特性带来的“时间抖动”（Jitter）对CRT有着重大的制约影响，所以也被作为了着重提升的对象。

从γ辐射产生可见光时，理论上应该是一个没有宽度的δ光，进而是可以给出一个准确的定位的，但是，闪烁体的发光是有延迟的，即把转换后的光展宽了，用以做时间定位时，得到的就是一个范围，不是完全准确的。虽然业界也在努力寻找更快发光衰减、更高密度、更高发光效率、更高稳定性的闪烁体材料、提高工艺水平，但也受制于其材料本身的特质。整体系统的CRT控制在200 ps以下（辐射位置的精度约为3 cm），已是目前最上乘的“答卷”，想要超越这样的水平，文中跟大家介绍到的联合实验，就另辟蹊径地找到了一个方法。

研究组直接放弃了传统的闪烁体，改用了一套“契伦科夫辐射体”来实现γ辐射到契伦科夫辐射（Cherenkov Radiation）的转换。契伦科夫辐射是带电粒子在物质中以比光速更快的速度通过时发出的光，它比闪烁光有着更快的响应速度，可以显著地提高时间分辨率。

▲ 实验系统示意图

但契伦科夫光非常微弱，且极其的“转瞬即逝”，对后续探测器也有了更高的要求。此次试验中用到的，则是滨松中央研究所特意为此开发的MCP-PMT，具有高灵敏度和时间分辨率。结合后续新开发的人工智能信号处理，在使用PET示踪剂进行的实验中，实验系统CRT实现了30 ps的重大突破，成为世界首例无需图像重建，使用一对探测器完成了高精度的医学成像。

虽然，从实验室中的突破到真正地走进真实的医疗场景中还有很长的路需要走，但取得这样的研究成果，无疑也让我们看到了未来放射性成像技术发展的更多可能性。滨松也将继续努力，以期为更好应用技术的到来，提供坚实的光电技术支持。

滨松中央研究所于1990年成立。内设研究中心、材料中心、PET中心、医疗影像中心以及生物工程技术中心等。长期致力于光学的基础研究，以期开拓更多更广的未知未涉领域。中央研究所提出了“生命光子学”（Life Photonics）的概念，面向未来20或30年，以光探索人类的“未知未涉”，广泛涵盖光学信息处理和测量、光学材料、生物光子学以及健康医疗等方面。并相信，通过潜心研究，终将为解决人类能源、环境、人口、健康等多种问题、构建可持续发展社会做出贡献。